2.10 ÎNALȚIMEA EFECTIVĂ

De multe ori este mai comod ca în calcule, în loc sa se considere înalțimea reală a antenelor, să se folosească așa numita înălțime efectivă. Prin înălțime efectivă se înțelege înălțimea unei antene fictive, prin care circulă un curent constant și care are aceleași proprietăți de radiație ca și antena reală. Cele două antene diferă prin înalțimea și prin distribuția curentului de-a lungul antenei (figura 2.6). Ceilalți parametri, printre care și momentul curentului (produsul ), sunt identici. Ca antenă reală se consideră antena nesimetrica pusă la pamânt.

În cazul antenelor nesimetrice curentul este distribuit neuniform de-a lungul conductorului. În acest caz momentul curentului este dat de relația,

(2.50)

în care este momentul curentului elementar.

Fig.2.6. Înălțimea efectivă a antenei

Momentul curentului în cazul antenei fictive, este dat de relația (2.51)

Din relația de egalitate a momentelor rezultă că

(2.52)

Din relația (2.52) rezultă că trebuie să se indice valoarea curentului la care se referă înalțimea efectivă. Dacă nu se specifică, se subînțelege că este vorba de curentul de la bornele antenei.Dacă se cunoaște valoarea înalțimii efective a unei antene, se poate calcula relativ ușor tensiunea de la bornele antenei cu relația

(2.53)unde cu s-a notat componenta tangențială a vectorului intensitate câmp electric.

Mărimea înălțimii efective a antenelor depinde de tipul și forma antenei, de dimensiunile geometrice ale acesteia și de lungimea de undă. Valoarea înălțimii

efective poate fi mărită prin diferite metode, care vor fi prezentate într-un alt capitol.

2.11.1. PARAMETRII SCHEMEI ECHIVALENTE A ANTENEI DE RECEPȚIE

În paragrafele anterioare au fost definiți principalii parametri ai antenelor de emisie. În continuare sunt prezentate metodele de studiu al parametrilor antenelor de recepție. Una din metode constă în studiul direct al actiunii undelor radio asupra antenei de receptie. În acest caz conductorul antenei este considerat ca fiind format dintr-o sumă de conductoare elementare de lungime dz (figura 2.7a), echivalente cu dipoli electrici elementari.

Tensiunea electromotoare elementară indusă în fiecare dipol elementar, de unda sosită în punctul de recepție este

, (2.54)unde este unghiul format de axa antenei și direcțiile de sosire a undelor radio.

Dacă se cunoaște distribuția intensității câmpului alectric în spațiul în care este situată antena, atunci integrând expresia (2.54) pe toată lungimea acesteia, se obține tensiunea de la bornele antenei.

O altă metodă de studiu a antenelor de recepție constă în aplicarea principiului reciprocității, cunoscută din teoria rețelelor. Pe baza acestui principiu pot fi stutiate proprietățile antenelor de recepție, pe baza rezultatelor obținute din studiul lor, considerate ca fiind antene de emisie.

Fie două antene așezate la o distanță oarecare (r) între ele și orientate într-un anumit fel una față de cealaltă. Se consideră două cazuri. În primul caz, antena 1 este de emisie, iar antena 2 de recepție (figura 2.7.a).

Fig.2.7. Studiul antenelor de receptie

Dacă se conectează la bornele antenei 1 un generator, atunci valoarea ficace a curentului de la bornele ei este dată de relația,

, (2.55)

în care este impedanța internă a generatorului, iar este impedanța de intrare a antenei.

La antena 2 se conectează un receptor cu impedanța de intrare . Datorită antenei 1, asupra antenei 2 acționează un câmp electric, care are intensitatea . În impedanța de sarcină apare curentul . Intensitatea câmpului electric dat de antena 1 în vecinătatea antenei 2 este dată de relația

, (2.56)în care este un factor de proporționalitate.Pe baza relațiilor (2.55) și (2.56) rezultă,

. (2.57)

În al doilea caz, antena 2 este de emisie, iar antena 1 de recepție. La antena 2 se conectează un generator, iar la antena 1 un receptor (figura 2.7c). În vecinătatea antenei 1 apare un câmp electric . Prin analogie cu primul caz, se obține relația

(2.58)

Semnificația notațiilor este analoagă cu cea de la primul caz.Conform principiului reciprocității tensiunea electromotoare care se aplică la bornele antenel 1, este în același raport cu curentul , ca și față de , adică

. (2.59)

În cele de mai sus, s-a presupus că poziția relativă a celor două antene a rămas neschimbată la trecerea de la primul caz la eel de-al doilea.Dacă se ține seama da relațiile (2.59), (2.58) și (2ț57), se obtine egalitatea

. (2.60)

Din această egalitate se vede că, toate mărimile din partea stângă a ei se referă la antena 1, iar cele din partea a doua, la antena 2. Egalitatea poate fi extinsă la un număr oarecare de antene, deci raportul

, (2.61)

aste o mărime constantă, și nu depinde de tipul antenei. Din relația (2.61) rezulta ca

. (2.61’)

Deși relația (2.61’) a fost obținută pe baza parametrilor antenei, utilizată ca antenă de emisie, ea poate fi particularizată pentru antena de recepție. Se poate considera că este o impedanță de sarcină, iar impedanța de intrare a antenei de recepție. De asemenea, se poate considera că E este câmpul electric

din vecinătatea antenei de recepție, iar este funcția de directivitate a acesteia. Astfel, cu I s-a notat curentul din impedanța de sarcină.

Prin cele de mai sus, s-a demonstrat reversibilitatea antenelor, conform căreia o antenă este caracterizată de aceiași parame-ri. Indiferent dacă este utilizată ca antenă, de emisie sau de recepție.

Având în vedere faptul că relația (2.61’) este valabilă pentru orice antenă, valoarea constantei C poate fi determinată, considerându-se ca antenă de recepție dipolul electric elementar.

In acest caz

(2.62)

iar, (2.63)

deci(2.64)

și în sfârșit,

. (2.65)

În multe cazuri intensitatea câmpului electric este dată de relația (2,19), adică

, (2.66)

de unde rezultă că(2.67)

și deci

. (2.68)

Dacă se notează cu

[V], (2.69)

atunci, [A]. (2.70)

S-a obținut o relație similară cu cea a unui generator de curent, ceea ce scoate în evidentă faptul că, antena de recepție se comportă ca un generator și are o schemă echivalentă identică cu cea a acestuia.Puterea transferată de antenă în sarcină, este data de relația

[W] (2.71)

unde este componenta activ[ a impedanței de sarcină.

Condițiile pentru un transfer maxim de putere în sarcina conectată la antenă, sunt aceleași ca pentru orice generator, adică și . Deci puterea maximă transferată de antenă în sarcină, este data de

[W]. (2.72)

2.12 SUPRAFAȚA EFECTIVĂ

În practică, se utilizează foarte des, mai ales în gama undelor foarte scurte, așa-numitele antene de suprafață, la care elementul radiant nu mai este un conductor rectiliniu, ci o suprafață oarecare. La aceste tipuri de antene nu se mai poata vorbi despre noțiuni ca înălțime efectivă, rezistență de radiatie etc.

Noțiunea de înălțime efectivă ne mai având sens la antenele da suprafață, este aecesar să se definească o altă notiune, care să permită, caracterizarea proprietăților de radiație și de recepție a acestor tipuri de antene.Prin dafiniție, suprafața efectivă a antenelor. este raportul dintre puterea maximă transferată din antenă în receptor (în cazul în care antena este adaptată cu sarcina sa) și densitatea fluzului de putere din punctul de recepție, adică

(2.73)

Densitatea fluxului ds putere in vid sau în aer uscat este data de relația

, (2.74)

iar puterea maximă transferată este dată de relațiile (2.72) și (2.69). Dacă se fac înlocuirile corespunzătoare, se obține,

, (2.75)

sau sub altă formă,

. (2.76)

De asemenea, dacă se ține seama de relația (2.44), expresia (2.75) devine

. (2.77)

În acest ultim caz, s-a considerat că undele radio sosesc pe direcția de recepție maximă.

Cu ajutorul suprafeței efective poate fi exprimat și câștigul antenelor și anume,

. (2.78)

Din relația (2.78) rezultă că raportul dintre câștigul antenelor și suprafața lor efectivă este constant, și anume,

. (2.79)

Suprafața efectivă a antenelor este egală cu suprafața lor de deschidere numai în cazul particular, în care randamentul lor este egal cu unitatea și întreaga suprafață de deschidere este excitată în mod uniform.

Pentru a exprima gradul de folosire a suprafeței de deschidere a antenei, se definește așa-numitul coeficient de utilizare.

Coeficientul de utilizare a suprafeței de deschidere a antenei, este raportul dintre suprafața de deschidere a unei antene ideale, la care suprafața de deschidere este egală cu suprafața efectivă, și suprafața de deschidere a antenei considerate, adică,

(2.80)

unde cu s-a notat aria suprafeței de deschidere a antenei reale.Pe baza relației (2.77) se poate că,

, (2.81)

unde s-a considerat . De asemenea, din relația (2.77) rezultă că,

(2.82)

Deoarece prin definiție , rezultă , (2.83)

sau, dacă se ține seama de relația de definiție (2.80), (2.84)

și mai departe

, (2.85)

sau

. (2.86)

Coeficientul de utilizare a suprafeței de deschidere ia în considerare nu numai neuniformitatea excitării acestei suprafețe, ci și alte abateri de la condițiile ideale. Astfel, de exemplu, ia în considerare fenomenul de difracție, care are loc la marginea deschiderii antenei, umbrirea unei părți a suprafeței de deschidere de către elementele de alimentare și piesele auxiliare ale antenei, deformarea frontului undelor și altele.

Dacă se cunoaște aria suprafeței efective a unai antene, se poate determina puterea transmisă receptorului, dacă acesta este adaptat cu antena. Dacă direcția de recepție maximă coincide cu direcția de propagare a undelor, atunci

, (2.87)

sau, în cazul general

. (2.88)

2.13. CARACTERISTICA DE FRECVENȚĂ

Caracteristica de frecvență a antenelor reprezintă variația curentului de la bornele acestora în funcție de frecvență, în cazul unei amplitudini constante

a tensiunii de la borne (figura 2.8a). În figură, prin curba întreruptă s-a reprezentat caracteristica ideală, iar prin curba continuă, cea realsă.

Fig.2.8. Caracteristica de frecvență

Deoarece semnalul modulat se compune dintr-o serie de componente sinusoidale de diferite frecvențe, pentru reproducerea nedistorsionată a acestuia, caracteristica de frecventă trebuie să fie rectilinie și paralelă cu axa absciselor în limitele spectrului de frecvenă.

Antena trebuie să aibă parametrii constanți în funcție de frecvență. Această cerință este esențială, îndeosebi în cazurile în care semnalul modulat are un spectru larg de frecvențe și când antena este folosită într-o gamă largă de frecvențe.

Întrucât antena, din anumite puncte de vedere, este echivalentă cu un circuit oscilant, pe anumite frecvențe de lucru ea poate fi la rezonanță. Prin frecvență de rezonanță se înțelege acea frecvență a undelor radio, pentru care componanta reactivă a inpedanței de intrare a antenei devine zero. Pe baza acestei noțiuni se definește și lungimea de undă proprie a antenei . Se numeșe lungime de undă proprie a antenei, cea mai mare lungime de undă pentru care componenta reactivă a impedanței de intrare a antenei se anulează.

Dacă instalatia radio, deservită de antenă lucrează pe o singură lungime de undă, este indicat ca antena să fie astfel proiectată, încit această lungime de undă

să fie cea proprie. În acest caz nu mai sunt necesare elementele de compensare a reactantei de intrare.

Caracteristica de frecvență a antenelor, la un dezacord an prea mare, este analoagă cu curba de rezonanță a circuitelor oscilante. De aceea, banda de frecvență a antenelor poate fi definită ca și banda de trecere a circuitelor oscilante.

La teoria circuitelor rezonante se arată că lățimea benzii de frecvențe, este acel interval de frecvențe jurul frecvenței de rezonanță, în limitele căruia curentul din circuit nu scade sub 0,707 din raloarea maximă (figura 2.8.b), adică, , (2.89)Sau,

. (2.90)

În cazul antenelor gama de lucru poate fi definită și în alte moduri. Astfel, uneori este util ca gama de lucru să fie intervalul de frecvențe, în limitele căruia caracteristica de directivitate a antenei nu suferă modificări esențiale. În alte cazuri, se consideră intervalul în limitele căruia mărimile coeficientului de directivitate, sau ale raportului de undă staționară din fider, sau ale reactanței de intrare, nu depășesc anumite limite date.

2.14.CARACTERISTICA DE POLARIZARE

Undele electromagnetice radiate de o antenă, sunt caracterizate, pe lângă amplitudinea și faza câmpului electric și magnetic, și de polarizarea lor. Polarizarea undelor radio este determinată de tipul antenei de emisie.

Fig.2.9. Caracteristica de polarizare

Undele radio, radiate de un conductor rectiliniu sunt polarizate liniar deoarece pe timpul propagării lor, vectorul intensității câmpului electric rămâne paralel cu o direcție dată (axa conductorului). Dacă se consideră, un plan perpendicular pe direcția de propagare, atunci vectorul intensității câmpului electric “taie” un segment de dreaptă în acest plan (figura 2.9 -

segmentul AC). Acest segment de dreaptă reprezintă caracteristica de polarizare, în cazul polarizării liniare.

Pe lângă polarizarea liniară, există și așa numita polarizare polarizare eliptică. Este polarizată eliptic acea undă, la care vârful vectorului intensitate câmp electric descrie, într-o perioadă, o elipsă pe un plan perpendicular pe direcția de propagare (figura 2.9 - elipsa ABCD). Această elipsă se numește elipsă de polarizare și este caracteristica de polarizare a antenei respective.

Raportul dintre axa mică și cea mare ale elipsei de polarizare, reprezintă coeficientul de uniformitate al caracteristicii de polarizare.

Valoarea acestui coeficient depinde de direcția considerată, și poate avea valori cuprinse între zero și unu. În cazul în care valoarea coeficientului este zero, elipsa se degenerează într-un segment de dreaptă (cazul polarizării liniare), în cazul în care este egal cu unu, se vorbește de polarizarea circulară a undelor radio. Rezultă că polarizarea eliptică este un caz general, iar celelalte (liniară și circulară), sunt cazuri particulare ale acesteia.

În cazul undelor polarizate liniar, într-un conductor liniar utilizat ca antenă, de recepție, se induce un curent maxim, dacă conductorul este paralel cu vectorul intensității câmpului electric. Dacă conductorul este perpendicular pe acest vector atunci în el nu se induce eurent. În cazurile în care conductorul face un unghi cu vectorul intensității câmpului electric, atunci actionează numai componenta tangențială a acestuia .